石灰岩地区地质情况较为复杂, 对桥梁的基础施工带来不少困难和不利影响。在佛山市和顺棠溪至料美公路主干线路基、桥涵工程K6+183中桥、K7+638小桥桩基础施工中所遇到的岩溶情况比较典型, 本文主要以该桥桩基础施工为例, 简要介绍溶岩地区的桩基础施工技术。
本标段共设置四座小桥 (K4+987小桥、K5+303小桥、K7+638小桥、联络道、K0+344小桥) , 一座分离立交桥 (K6+183汤村分离立交桥) , 一座互通立交 (小布互通立交) 。共136根桩, 均为支承桩, 桩长为20~35m。桩基础所处地段为石灰岩地区, 在初期钻孔施工过程中, 发生几次塌孔, 造成大面积的地表塌陷, 有的塌陷直径达10m, 造成较大的损失并影响工期, 为确保工程质量和进度, 业主委托中国有色金属工业长沙勘察设计研究院进行地质物探和逐桩超前钻工作, 根据物探和逐桩超前钻资料显示, 桥位处溶岩发育严重, 土洞和溶洞同时存在, 而且土洞较大, 土洞和溶洞存在不明确的因素。石灰岩地区基岩而起伏不平, 无强风化带, 均为弱风化带和微风化岩石, 岩石坚硬、微风化岩单轴抗压强度高达120MPa以上。
据有关资料记载, 石灰岩地区目前所应用的桩种主要有:冲孔灌注桩 (冲孔桩) 、钻孔灌注桩 (钻孔桩) 、预制混凝土桩以及沉管式灌注桩。根据所掌握的地质资料及以往的施工经验和在初期施工中遇到的问题, 决定在不同地段分别采用打入式预应力管桩及冲孔灌注桩。K7+638桥岩溶发育, 土洞、溶洞多且大, 采用打入式预应力管桩为基础施工的基本方法。针对地质特点及便于施工控制, 管桩采用摩擦桩设计, 并通过现场的预应力管桩承载力试验确定单桩允许承载力, 从而确定:对岩面覆盖层深度大于25m的桩位, 采用直径600mm4根长22m的预应力管桩代替原设计1根冲孔桩基础;对岩面覆盖层深度为22~25m的桩则采用直径600mm5根长18m的预应力管桩代替原设计1根冲孔桩基础。在施工中严格按规范操作, 并按要求严格控制预应力管桩的施工质量。不采用钻孔桩的原因如下:
(1) 规范要求桩端必须嵌入微风化岩。1D (D桩径) , 且其下3D范围内无溶洞, 对顶板厚度小于3D的溶洞必须穿越, 以确保满足承载力要求, 这就要求成孔机械必须有较强的破岩能力, 但钻机钻头在坚硬的石灰岩中钻进缓慢且容易卡钻, 不能满足要求。
(2) 钻机钻头在溶洞、土洞中易埋钻, 且绝大多数钻头因此而提不上来。
(3) 不能挤土造壁, 堵塞桩底段部分的溶洞和溶隙空间, 不能避免灌注水下混凝土的大量扩散, 影响开管质量。
由于预应力管桩的沉桩施工, 其工艺规范、工序接近于工厂化, 施工过程中严格按规范操作, 控制好每个工序及注意事项即可较顺利地完成。以下主要介绍冲孔桩施工过程中产生的难点及关键技术措施。
孔壁塌方是由于桩锤冲穿 (或钻穿) 溶洞顶板 (或土洞) , 跑浆之后引起的 (俗称溶洞塌方) , 在2006年9月26日22时25分K6+183汤村分离立交桥0-8#桩在灌注桩基础水下混凝土过程中出现孔壁塌落的情况, 该桩设计桩低标高-35.7m, 桩顶标高-0.34m, 桩长35.36m, 桩径1.2m, 管波结果显示:标高1.83m~34.67m, 由上至下为土层, 岩溶发育层-34.67~42.37m为完整基岩层。地质钻探显示:标高1.83~25.07m由上至下为细砂、粘土层, -25.07~28.37m为溶洞, -28.37~43.67m为白云质灰岩。该桩采用商品混凝土, 由方量10m3的混凝土搅拌运输车直接供料入漏斗灌注混凝土, 混凝土坍落度控制在18~22cm, 起始灌注混凝土时间为9月26日22:30分, 灌完4车混凝土后, 检测灌注混凝土的总厚度为19.8m, 至22:25分灌完第5车混凝土, 混凝土运输刚离场, 发现护筒内泥浆突然下降, 随后发现护筒边周围土壤开始沉落, 紧接着周围大面积塌孔, 最后塌成一个直径约10m, 深度约5m的大坑, 钢筋笼和护筒已看不见, 钻机落入坑。
事故发生后的第二天上午, 业主、总监办, 施工单位组织各方分析了事故原因, 决定此桩补钻3个钻孔 (三角形布置) , 根据后来钻探显示桩底设计标高正确, 基岩完整, 决定重新采用钢护筒护壁进行施工。
混凝土扩散量大是石灰岩地区桩施工的显著特点。其扩散分两种情况: (1) 溶洞无填充、半填充, 成桩的混凝土就去填补空间; (2) 填充物为淤泥质土, 淤泥被混凝土所置换, 使得桩在溶洞段扩孔系数大大超出1.2, 有的甚至高达5~6。K5+303桥1-4#桩就出现此种情况。桩长30m多, 当灌注混凝土至桩长13m多时。1台搅拌车载混凝土 (约10m3) 灌高只有。1m多 (每米桩长约1.36m3) 。有时桩底会形成不规则的扩大头, 使得开管难度加大。施工技术规范规定, 灌注水下混凝土, 第1次开管, 导管的埋深要1.0m左右, 碰到这种情况, 可通过加大第1次开管的混凝土方量 (如加大混凝土漏斗体积) 等来解决。
卡锤的原因和形式多种多样, 由于石灰岩硬度高, 故在某断面上不能很快开成圆形, 而是类似于梅花形, 锤体在升降过程中是自转的, 当锤体断面跟桩孔梅花形断面不吻合时就被卡住了。当锤底一角正好碰到断面中的突起处, 锤体猛然倾斜, 就会出现横卡现象。又由于石灰岩基岩表面起伏凹凸不平, 如果锤体在类似“V”形岩沟中冲击, 就又可能出现卡锤。
掉锤、埋锤是由于桩锤突然冲穿溶洞顶板, 锤体悬空, 瞬时拉力过大, 钢线绳被拉断, 造成掉锤。如随即产生塌方就造成埋锤。另一种掉锤情况是由于卡锤时提锤用力过大, 拉断钢丝绳而掉锤。打捞掉锤、埋锤的可能性只有50%, 丢失一个锤不仅是损失锤体的成本, 最主要是耽误了工期, 影响施工进度。
由于石灰岩地区的基岩面高低起伏, 壁面陡峭, 桩锤入岩时, 碰到陡峭的基岩倾斜壁面发生方向偏斜, 导致斜孔。斜孔对施工带来不少麻烦同时花费时间。碰到斜孔桩, 锤体落下去, 一边着力, 一边悬空, 很难成孔, 即使成孔也是斜孔, 达不到规范要求的规定斜率。要不断地重复投放片石和黄泥找平, 重复冲钻直至通过斜岩面从而纠正偏孔位。
在溶岩地区对桩基础的施工, 桩在什么高程可以终孔是一个棘手的问题。有的是设计资料上标有溶洞 (或土洞) 的桩位, 在钻孔成桩过程中又没有发现溶洞 (或土洞) 。在这种情况下, 只好把钻孔作业停下来, 补钻钻孔的地质资料 (或做超前钻探) , 再根据补钻孔地质资料情况做终孔的决定。另一种是设计资料所标明的地层和桩底的设计高程与钻孔成孔过程中不相符, 在这种情况下, 只有根据设计的嵌入微风化岩的深度、钻进的进尺和钻孔里捞起来的钻渣硬度等, 3个方面结合起来分析作终孔决定。
开钻前组织桩机手详尽了解该桩位的地质情况, 准确了解桩机冲进情况, 并密切观察溶洞或土洞的深度位置。由于本地段溶洞、土洞发育较好, 工程地质剖面图又不是逐桩钻孔取样, 故每个桩孔开钻前都需做好以下准备工作:
(1) 储备可供装载机自由铲用的足够粘土;
(2) 储备可供装载机自由铲用的足够片石;
(3) 每台桩机的泥浆池要制备不少于10m3的备用泥浆。同时钻进过程中确保泥浆泵的使用正常;
(4) 若没有停钻, 留守人员要密切注意孔内情况, 并备有装载机1台。一旦遇到土洞、溶洞时孔内泥浆水位迅速下降, 应立即补充大量泥浆以保持孔内水位, 防止塌孔、埋钻头事故发生, 并投放片石和粘土, 用冲锤小冲程慢慢冲挤形成人造孔壁。进入岩层后, 应继续注意观察, 防止人造孔壁不坚, 倒塌时补救不及。当出现一根桩碰到一连串溶洞时, 要求在溶洞间的岩层用冲锤小冲程冲进。
对个别难于处理的孔位, 可采用埋置深护筒 (约7~8m粘土层) 的办法处理, 防止上部反复塌孔。
因裂隙或泥浆置换后而少量漏浆的, 采用抛填袋装水泥, 用冲锤小冲程反复冲捣的办法, 一般能很快堵住。
无论回转钻或冲击钻都应布置防掉锤、卡钻后的打捞环。打捞方法可采用偏心钩、钢绳套及潜水员打捞等常规方法。卡钻严重时, 可采用“振动爆破法”处理。
对于能预计的小溶洞, 成孔后直接灌注混凝土填充, 有少量超方是正常的。
当溶洞较高, 体积较大时, 为防止浇注超方过多或发生事故, 应准确计算溶洞高程后在相应位置对钢筋笼用薄铁板作包裹处理。
通过该高架桥基础施工实践, 可得出以下结论:
(1) 对岩溶地区的桩基础施工, 根据不同的地质情况, 采用打入式预应力管桩及冲孔灌注桩。
(2) 采用钢护筒进行护壁, 此种方案是可行的。从质量、工期、经济的角度控制而言, 是有一定优势的。
(3) 在前期勘测中, 地质资料的掌握准确与否直接关系到施工技术、工程成本。
(4) 有针对性的施工方案;富有经验、熟练的操作人员;严密的施工组织与管理是工程施工成败的关键。
摘要：本文结合佛山市和顺棠溪至料美公路主干线路基、桥涵工程第HLS-03合同段, 对公路桥梁在石灰岩溶岩地区的桩基础施工技术进行了阐述。
关键词：溶岩,桩基,施工技术,探讨
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